建筑窗體玻璃節(jié)能研究

孫秀竹，鄧慶堯

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

0 引言

建筑節(jié)能是節(jié)能減排的重要內(nèi)容之一。目前，發(fā)達(dá)國家的建筑能耗占社會總能耗的43%，中國占到40%;門窗能耗通常占建筑能耗的45% ～50%，占社會總能耗的15%～20%。歐洲現(xiàn)行門窗標(biāo)準(zhǔn)中要求，門窗的傳熱系數(shù)K值為1.3，而我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求的門窗平均傳熱系數(shù)K值約為3.5左右，按我國現(xiàn)有城鎮(zhèn)建筑面積約430億平方米，如果采取有效的建筑構(gòu)造措施，達(dá)到歐洲現(xiàn)行門窗標(biāo)準(zhǔn)，使每年每平米建筑因門窗部分可節(jié)約10千克標(biāo)準(zhǔn)煤，則我國每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤4.3億噸，約為中國全年煤炭產(chǎn)量的20%，門窗節(jié)能的重要性足以顯現(xiàn)。

1 門窗熱量傳遞及節(jié)能分析

門窗是室內(nèi)外溝通的主要渠道，它首先要滿足人們?nèi)粘Ｐ枰牟晒?、日照、通風(fēng)、視野等要求，同時還要具備保溫、隔熱、隔聲等性能。作為建筑外圍護構(gòu)件之一，在建筑被動節(jié)能方面，窗戶的保溫能力是最低的。對于寒冷地區(qū)采暖建筑的窗戶，其熱量傳遞方式包括三個方面:一是對流傳熱，由于氣體存在溫度差，氣體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱氣體相互摻混所引起的熱量傳遞。對流只在門窗空隙間熱冷氣流的循環(huán)流動，帶動熱量交換產(chǎn)生熱量損失。二是熱傳導(dǎo)，物體之間不發(fā)生相對位移，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞。熱傳導(dǎo)通過物體本身的一個面把熱量傳導(dǎo)至另一個相對的面。在門窗中，熱傳導(dǎo)只發(fā)生在框扇與玻璃之間。在傳熱中，導(dǎo)熱現(xiàn)象總結(jié)為傅里葉定律，這條定律說在單位時間內(nèi)通過該層面的導(dǎo)熱量與當(dāng)?shù)販囟茸兓始捌桨迕娣e成正比。三是輻射傳熱，物體通過電磁波以射線的方式進行能量傳遞。輻射傳熱是建筑窗體熱傳導(dǎo)的主要途徑之一。透明玻璃厚度在10 mm以內(nèi)時，其輻射傳熱占總能力的71.9%以上。

窗戶由窗框和玻璃組成，窗框面積僅占窗總面積的15% ～30%，窗的面積越大，框所占比例越小，玻璃面積占窗面積的70% ～85%，因此玻璃是保溫隔熱節(jié)能的關(guān)鍵。不同的玻璃與窗框，其光學(xué)與熱工性能是不同的。建筑中常用的玻璃有普通透明玻璃、吸熱玻璃、反射玻璃、高透光型Low－E玻璃及遮陽型Low－E玻璃等種類。圖1為普通透明玻璃光熱傳導(dǎo)性能。

圖1 透明玻璃光學(xué)和熱工性能

圖2 吸熱反射鍍膜玻璃的光熱傳導(dǎo)性能

從圖1中看出，6 mm厚的普通透明玻璃，對太陽輻射能具有79%的透過率，這說明來自室外的太陽輻射能量大部分可透過;但夜晚或陰雨天氣時，室外無太陽輻射能，透明玻璃吸收室內(nèi)物體熱輻射能量的79%，使玻璃自身溫度升高，然后再通過自身向室內(nèi)、外輻射和對流交換其熱量，使室內(nèi)熱量通過這種方式泄向室外，從而減低和消耗了室內(nèi)熱量。

吸熱玻璃是能吸收大量紅外線輻射能、并保持較高可見光透過率的平板玻璃。吸熱玻璃與普通平板玻璃相比具有如下特點:(1)對太陽輻射熱的吸收率很高。以6 mm厚的普通透明浮法玻璃為例，在太陽光照射下總透過熱為84%，而同樣條件下吸熱玻璃的總透過熱量為60%。吸熱玻璃的顏色和厚度不同，對太陽輻射熱的吸收程度也不同。(2)可以吸收太陽的可見光，減弱太陽光的強度，起到反眩作用。(3)具有一定的透明度，能吸收一定的紫外線。圖2為熱反射鍍膜玻璃的光熱傳導(dǎo)性能。從圖2看出，太陽能在透過藍(lán)色和銅色玻璃，由玻璃吸收再輻射和對流的能量分別為39.6%和34.6%，與圖1中的透明玻璃相比，吸熱玻璃有明顯的優(yōu)勢。

Low－E(Low－Emissivity)玻璃也稱低輻射玻璃。Low－E玻璃是采用真空磁控濺射方法在玻璃表面鍍上含有一層或兩層銀層的膜系，來降低能量吸收或控制室內(nèi)外能量交換，保障生活、工作的舒適性，并以此達(dá)到環(huán)保節(jié)能的目的。太陽輻射能量的波長97%以上集中在波長為0.3～2.5 μm的波段范圍以內(nèi);而室內(nèi)的物體溫度均在100℃以下，其輻射能量集中在波長2.5 μm以上的長波段。如果將窗戶作為物體熱量傳遞的界面，那么我們希望我國北方的高緯度地區(qū)，室外的輻射能量傳進來，而室內(nèi)的輻射能量不要輻射出去。以輻射的波長為界時，室內(nèi)、室外輻射能的分界點就在2.5 μm波長處。

Low－E玻璃不同于其他玻璃的突出特點是:它對0.3～2.5 μm的太陽能輻射具有60%以上的透過率，也就是說，晴天來自室外的太陽輻射能量可大部分透過Low－E玻璃。但在夜晚和陰雨天氣，室外沒有太陽輻射能的情況下，與普通的透明玻璃不同的是，Low－E玻璃不是將建筑物室內(nèi)物體的熱輻射的大部分通過自身向室內(nèi)、外輻射和對流交換其熱量，消耗室內(nèi)熱量。而是將約50%以上的輻射熱反射回室內(nèi)，僅有少于15%的熱輻射被其吸收后通過再輻射和對流交換散失。這樣，Low－E玻璃不僅可以有效地將太陽能輻射進室內(nèi)，又能阻止室內(nèi)的熱量向室外泄露。

由于Low－E玻璃的這一特性，使其具有控制熱能單向流向室內(nèi)的作用。應(yīng)用“Low－E”窗玻璃的建筑其室內(nèi)溫度保持相對較高，因此在冬季不結(jié)霜，這樣也給人們提供了一個較為舒適宜居和節(jié)能的室內(nèi)環(huán)境。“Low－E”玻璃也能夠阻擋大量的紫外線透射，防止室內(nèi)的物品退色。圖3中幾種玻璃在波長大于3.0 μm的波段區(qū)其透過率接近于零。而建筑物內(nèi)外受熱面受熱后向外輻射的能量其波長都超過3.0 μm，因此，上述幾種玻璃都有溫室效應(yīng)，也就是說都能將較多的太陽輻射能透入室內(nèi)。

2 玻璃的光線特性分析

目前，建筑工程中常用的玻璃有普通透明玻璃、吸熱玻璃、反射玻璃、高透光型Low－E玻璃及遮陽型Low－E玻璃。這些玻璃的波長與透射率之間的關(guān)系見圖3。從圖3中可以看出，在可見光波段中，普通透明玻璃的透射率最高，但它在長波段即近紅外波段的透射率也相當(dāng)高。因此，這種玻璃的透光能力很高，透太陽輻射熱的能力在這幾種材料中也是最高的。高透光型Low－E玻璃在可見光范圍內(nèi)的透射率僅次于普通透明玻璃，但它在近紅外波段的透過率很低，有效的阻止了紫外線的照射。根據(jù)以上特點，不同地區(qū)和不同朝向的建筑門窗應(yīng)選用不同的玻璃。

圖3 吸熱玻璃、反射玻璃及Low－E玻璃的透射曲線

對于冬季陽光充足的地區(qū)，在南向的窗戶用普通透明玻璃效果較好，因為冬天太陽的高度角低，房間內(nèi)能得到大量的太陽輻射熱，在夏天，太陽的高度角高而容易被遮擋，沒有大量的輻射熱投射進去，起到了冬暖夏涼的作用。對于面向東西的窗，由于夏天東西向的太陽高度角偏小，為防止過多的熱量投射進來，應(yīng)采用Low－E玻璃，使其只透過可見光部分。

3 結(jié)束語

為室內(nèi)環(huán)境提供充足的自然光線與自然通風(fēng)是門窗的重要屬性之一。對于普通透明玻璃、吸熱玻璃、反射玻璃、高透光型 Low－E玻璃及遮陽型Low－E玻璃，他們分別適用于不同地區(qū)、不同朝向及用途的玻璃。

Low－E玻璃在建筑門窗節(jié)能及透光性能中都有其突出的優(yōu)點。在建筑中，它不僅能將較多的太陽輻射能透入室內(nèi)，且能阻止室內(nèi)熱能向外輻射，保持室內(nèi)有一個舒適的熱環(huán)境。

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